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[分享] 微流控技术三十年发展史(三)

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发表于 2023-1-18 10:56 | 显示全部楼层 |阅读模式

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4.5.。微制造技术的研究进展
4.5.1复制模塑
也许是聚合物模塑工艺中最简单的一种,复制模塑包括将聚合物浇注在印章或模具上。图5显示了复制模制工艺和从硅母版复制的器件。当使用PDMS作为模具材料时,模具可以在弯曲或轮廓的衬底周围变形以形成光刻难以捉摸的图案区。此外,复制模塑可用于复制纳米级的特征,使用弹性印章意味着与刚性材料相比,从模具中释放不是问题。复制模塑成型生产微流控部件的主要缺点是目前它不是一个自动化的过程,因此它的生产能力不足以进行工业规模的生产。尽管注塑提供了一种具有更高吞吐量的复制模塑方法,但由于围绕该主题的大量文献,该技术将在第4.5.5节中更详细地讨论。
图5.复制模塑工艺示意图。在将预聚体浇注在顶部之前,制备PDMS母版。一旦预聚体流入母体的所有区域,聚合物被固化,并且PDMS母体被移除,从而得到复制的部分。B-通过仿制模塑制造的微流控恒化器。彩色染料用来显示渠道和硬币的规模。
4.5.2。压花/纳米压印光刻
压花,或压印光刻,是一种涉及到材料-通常是聚合物-在模具或带有浮雕图案的印章上形成图案的技术。这可以通过多种方式执行。最常见的是,将基材置于高于玻璃化转变温度(Tg)的40-50 °C,然后使印章与基材接触,两部分都被冷却,聚合物回到Tg以下。然后,模制的零件从印章上释放。此外,可以使用预聚体来实现压印光刻,然后可以固化该预聚体以提供固体图案。在工业上,光盘(CD)是这种技术如何用于消费品的大规模生产的一个例子--尽管这些过程中的许多现在已经切换到注塑成型。此外,在研究环境中,压花已被用于制造能够将光耦合到波导中的栅格,以及可靠地再现小至25 nm的特征,这些特征随后可用作蚀刻掩模或用作金属剥离的牺牲层。用于压印光刻的邮票已经在许多材料上用多种技术制造,例如PMMA和石英。此外,公司还开发了用于制作压花邮票和压印衬底的商业系统。压花作为一种复制方法也是有利的,因为它需要很少的聚合物流动,因此在最终部分有低的热应力。虽然这一过程可以自动化,但加热和冷却基板和工具所需的时间意味着周期时间太长,无法进行高通量制造。

4.5.3 SU-8
IBM开发的负性抗蚀剂SU-8导至了许多MEMS和芯片实验室式器件的设计和实现,而这些器件是为微电子行业开发的薄膜所难以企及的。

SU-8于1998年首次被发明,允许研究人员在比以前观察到的更厚的抗蚀剂层(高达1200 μm)中创建具有高纵横比的结构。除了形成这些厚层的能力外,它还具有机械、热和化学性能,使其能够用于制造用于注塑的镍模具,直接制造齿轮等微机械部件,以及直接制造热流传感器到光塑材料中,这突出了它对微流体的适用性。SU-8的处理方式与其他光刻胶大致相同(图2),但预烘烤和曝光时间必须延长,以弥补较厚的层。此外,还添加了曝光后烘焙,以加速聚合物在暴露于紫外线辐射的区域中的交联。SU-8还被用来创造多层结构,可以用来构建复杂的三维形状。Mata等人描述了只需一个显影步骤即可在较大特征上或其周围形成10 μm直径的柱子或孔的工艺。该程序还允许创建悬垂结构,而这些结构以前只能通过涉及粘合、蚀刻和电镀的复杂的多步骤方案来实现。多层SU-8技术被进一步用于组织工程的多孔支架,同时具有促进细胞系分化和增殖的表面。事实上,这种光致抗蚀剂的出现导至了完全由SU-8制造的微流控设备的制造。
4.5.4。快速成型
尽管微电子技术和微流控技术依赖于光刻技术,但这一过程有一个主要的障碍:在石英掩模上使用铬,将紫外光图案化到抗蚀剂所需的区域。这些口罩不仅价格昂贵(每个口罩约400美元),而且还很耗时,需要相当多的专业知识才能制造--这是生物和化学中采用这项技术的障碍。为了解决这一问题,秦等人提出了解决方案。印刷在醋酸酯薄膜上的图案,可以用来代替石英掩膜。在这里,一个标准的激光成像系统被用来将黑色墨水图案印在胶片上不能曝光的区域。这项技术使得快速生产光刻掩模的成本(约每平方英寸1美元)和时间(约2 h从设计到制造)是石英掩模的一小部分。此外,这些面具的机械灵活性意味着可以制造非平面表面。虽然这些口罩不像铬口罩那样耐用和稳定,但事实证明,它们足以用于微流控设备的快速成型,在那里纳米级分辨率不是问题。如果使用高分辨率、2400dpi的打印机打印掩膜,则可以实现10 μm的网点大小,这突出了它们对大多数微流体应用的适用性。

4.5.5。微注射成型
虽然上述可复制的制造技术可用于提供高生产能力的制造手段,但在自动化和生产能力方面,没有哪种技术能与注塑相比。1872年首次被描述,注塑是一种将熔融的塑料注射到型腔中的过程,允许制造许多相同的部件。这项技术随后在第二次世界大战期间迅速扩大,当时对大规模生产的负担得起的部件的需求增加了。这最终导至了第一台螺杆驱动注塑机的开发,它可以更好地控制塑料的注射,从而提高零件的精度和重复性。到了20世纪下半叶,注塑已经成为一种非常有效的工业规模制造零件的方法,注塑塑料的市场预计到2020年将达到1621亿美元。目前,注塑成型最常与CD和蓝光光盘的制造联系在一起,在这些光盘中,特征尺寸可以达到140 nm,尽管在研究环境中已经实现了较小的特征。注塑作为一种复制方法,与压花相比有一个主要的优点:聚合物熔体的加热和零件的冷却是分开的。这意味着每次复制都不需要熔化塑料的时间,因此大大缩短了周期时间。

在商业注塑机中,整个过程是相同的--将熔融的塑料注入模具,在那里它被固化,零件可以被释放。简而言之,塑料被加热到其熔体温度以上,此时螺杆不仅将熔融材料移动到模具型腔,而且还混合和均化塑料熔体。注射到模具中的材料被称为“射料”,通常由足够的材料组成,一旦考虑到冷却过程中的收缩,就可以填充模具,另外还有少量材料,以允许压力从驱动螺杆传递到模具中,并防止螺杆触底。然后塑料在模具中冷却,浇口中的材料首先凝固。这意味着没有更多的材料可以进入型腔,因此螺丝将收缩并为下一个零件准备喷丸。一旦模具中的塑料冷却到尺寸稳定的程度,零件就会被顶出,工艺可以重新开始。整个过程可以在没有监督的情况下运行,因为它是完全自动化的,因此对于从前面提到的CD和蓝光光盘到更大的零件(如汽车车身)的高产量生产来说,这是一项如此有吸引力的技术。
关于微结构的成型,注塑成型最重要的考虑因素可能是模具。对于平面器件和图案的制造,零件通常是靠在工具内固定到位的嵌体(有时称为“垫片”)模制而成的。这些镶嵌是平面结构,其包含零件上所需的最终配置的浮雕图案。工具必须设计成适合这些嵌体,并在整个成型过程中将它们固定在适当的位置。传统上,这些刀片是通过数控铣削金属制造的,这可以适应于制造微米级的特征。然而,由于数控铣削存在表面粗糙度高和特征尺寸限制大等缺点,研究人员也展示了各种制造这些垫片的方法,这些方法可以作为高分辨率照片和X射线光刻制造与高通量注塑技术之间的桥梁。已使用的材料和方法的例子有LIGA、蚀刻石英、蚀刻硅、聚四氟乙烯(PTFE)支持的镍、镍上的SU-8、紫外光固化的聚氨酯树脂、大块金属玻璃以及聚酰胺片上的SU-8。

虽然目前的大多数研究都是用注射成型来制造纳米级的特征,但也有一些已经创造出来的微流控装置的例子。Hansen et al.。创建了注射成型微流控芯片,而Kim等人。描述了一种能够确定血型的注射成型芯片。

如前所述,通常通过注射成型来制造CD,该技术也已被用于制造微流控器件。在CD格式中,流体可以通过离心力在设备内进行操作,离心力可以通过改变芯片的自转速度来控制。这种离心力的存在因此消除了对泵、混合器和复合阀的需要,也降低了通道被气泡或分子堵塞的风险。除了这些功能,Marc Madou和他的团队进行的工作表明,诸如聚合酶链式反应和细胞裂解等功能也可以被整合到这些微流控设备中,突显了这项技术的灵活性。此外,正如Morelli等人所展示的那样,这些设备有助于实现高产量的制造技术。世卫组织描述了一种基于CD的注射成型设备来筛选细菌。
4.5.6 热塑性粘接
由于复制成型、压花成型和注射成型制作的器件是平面结构,通道仍需密封才能用作微流控器件。一种这样的密封方法是将盖子粘在设备上。虽然相对简单,但这种方法并未被广泛采用,因为通道容易堵塞。一种更常见的技术是热熔接。热熔接是指在零件和盖子接触时将它们加热到Tg以上,并可应用于各种聚合物。然而,由于装置和盖子的大面积必须被加热,该技术受到通道结构的变形的影响。超声波焊接是另一种可以将热塑性部件粘合在一起的技术。在这里,能量导向器(或焊接缝)被制造到设备或盖子中。然后,在焊接喇叭将压力和超声波振动传递给装配之前,零件被对准并接触。它通过摩擦加热焊缝,然后熔化形成与盖子的粘结。由于能量集中在焊缝上,与热熔接相比,通道的变形要小得多,同时仍能提供部件的强熔合。
来源:www.whchip.com

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